Основы расчета жидкостной системы охлаждения. Расчет жидкостной системы охлаждения Готовые варианты систем охлаждения

= ([Температура в горячей точке, грЦ ] - [Температура в холодной точке, грЦ ]) / [Рассеиваемая мощность, Вт ]

Это означает, что если от горячей точки к холодной поступает тепловая мощность X Вт, а тепловое сопротивление составляет Y грЦ / Вт, то разница температур составить X * Y грЦ.

Формула для расчета охлаждения силового элемента

Для случая расчета теплоотвода электронного силового элемента то же самое можно сформулировать так:

[Температура кристалла силового элемента, грЦ ] = [Температура окружающей среду, грЦ ] + [Рассеиваемая мощность, Вт ] *

где [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт ] = + [Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором, грЦ / Вт ] + (для случая с радиатором),

или [Полное тепловое сопротивление, грЦ / Вт ] = [Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, грЦ / Вт ] + [Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой, грЦ / Вт ] (для случая без радиатора).

В результате расчета мы должны получить такую температуру кристалла, чтобы она была меньше максимально допустимой, указанной в справочнике.

Где взять данные для расчета?

Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом для силовых элементов обычно приводится в справочнике. И обозначается так:

Пусть Вас не смущает, что в справочнике написаны единицы измерения K/W или К/Вт. Это означает, что данная величина приведена в Кельвинах на Ватт, в грЦ на Вт она будет точно такой же, то есть X К/Вт = X грЦ/Вт.

Обычно в справочниках приведено максимально возможное значение этой величины с учетом технологического разброса. Она нам и нужно, так как мы должны проводить расчет для худшего случая. Для примера максимально возможное тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом силового полевого транзистора SPW11N80C3 равно 0.8 грЦ/Вт,

Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором зависит от типа корпуса. Типичные максимальные значения приведены в таблице:

TO-3	1.56
TO-3P	1.00
TO-218	1.00
TO-218FP	3.20
TO-220	4.10
TO-225	10.00
TO-247	1.00
DPACK	8.33

Изоляционная прокладка. По нашему опыту правильно выбранная и установленная изолирующая прокладка увеличивает тепловое сопротивление в два раза.

Тепловое сопротивление между корпусом / радиатором и окружающей средой . Это тепловое сопротивление с точностью, приемлемой для большинства устройств, рассчитать довольно просто.

[Тепловое сопротивление, грЦ / Вт ] = [120, (грЦ * кв. см) / Вт ] / [Площадь радиатора или металлической части корпуса элемента, кв. см ].

Такой расчет подходит для условий, когда элементы и радиаторы установлены без создания специальных условий для естественного (конвекционного) или искусственного обдува. Сам коэффициент выбран из нашего практического опыта.

Спецификация большинства радиаторов содержит тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой. Так что в расчете надо пользоваться именно этой величиной. Рассчитывать эту величину следует только в случае, если табличных данных по радиатору найти не удается. Мы часто для сборки отладочных образцов используем б/у радиаторы, так что эта формула нам очень помогает.

Для случая, когда отвод тепла осуществляется через контакты печатной платы, площадь контакта также можно использовать в расчете.

Для случая, когда отвод тепла через выводы электронного элемента (типично диодов и стабилитронов относительно малой мощности), площадь выводов вычисляется, исходя из диаметра и длины вывода.

[Площадь выводов, кв. см. ] = Пи * ([Длина правого вывода, см. ] * [Диаметр правого вывода, см. ] + [Длина левого вывода, см. ] * [Диаметр левого вывода, см. ])

Пример расчета отвода тепла от стабилитрона без радиатора

Пусть стабилитрон имеет два вывода диаметром 1 мм и длиной 1 см. Пусть он рассеивает 0.5 Вт. Тогда:

Площадь выводов составит около 0.6 кв. см.

Тепловое сопротивление между корпусом (выводами) и окружающей средой составит 120 / 0.6 = 200.

Тепловым сопротивлением между кристаллом и корпусом (выводами) в данном случае можно пренебречь, так как оно много меньше 200.

Примем, что максимальная температура, при которой будет эксплуатироваться устройство, составит 40 грЦ. Тогда температура кристалла = 40 + 200 * 0.5 = 140 грЦ, что допустимо для большинства стабилитронов.

Онлайн расчет теплоотвода - радиатора

Обратите внимание, что у пластинчатых радиаторов нужно считать площадь обеих сторон пластины. Для дорожек печатной платы, используемых для отвода тепла, нужно брать только одну сторону, так как другая не контактирует с окружающей средой. Для игольчатых радиаторов необходимо приблизительно оценить площадь одной иголки и умножить эту площадь на количество иголок.

Онлайн расчет отвода тепла без радиатора

Несколько элементов на одном радиаторе.

Если на одном теплоотводе установлено несколько элементов, то расчет выглядит так. Сначала рассчитываем температуру радиатора по формуле:

[Температура радиатора, грЦ ] = [Температура окружающей среды, грЦ ] + [Тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой, грЦ / Вт ] * [Суммарная мощность, Вт ]

[Температура кристалла, грЦ ] = [Температура радиатора, грЦ ] + ([Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом элемента, грЦ / Вт ] + [Тепловое сопротивление между корпусом элемента и радиатором, грЦ / Вт ]) * [Мощность, рассеиваемая элементом, Вт ]

Северный и южный мосты - основные составляющие чипсета материнской платы. Они предназначены для управления всеми устройствами компьютера, но если южному мосту досталась роль "младшего брата", управляющего пусть и важными, но небыстрыми процессами взаимодействия внутри и между интерфейсами платы (контроллеры дисков, сетевых и аудиоустройств и т. д.), то северный мост используется в качестве "тяжелой артиллерии", поскольку отвечает за процессор, оперативную память, видеоадаптер, а также контролирует все процессы связи между этими компонентами и контроллером Иными словами, его удел - управление устройствами, на которые приходится максимальная нагрузка во время работы компьютера.

Расположение

Представляет собой впаянный в системную плату чип, расположенный на северной (то есть верхней) ее стороне и укрытый радиатором охлаждения. Северный мост на большей части материнских плат охлаждается пассивным отводом тепла, в то время как активное охлаждение с использованием кулера - прерогатива мощных систем, рассчитанных на экстремальные нагрузки. Это могут быть игровые компьютеры, графические станции и сервера.

Теплоотвод

Стандартного теплоотвода для успешного охлаждения северного моста хватает в большинстве случаев, в том числе и при апгрейде системы, однако нередки ситуации, при которых пользователи разгоняют свои компьютеры, увеличивая частоту системной платы, процессора или видеокарты для увеличения производительности ПК. Это, в свою очередь, неизбежно ведет и к увеличению тепловыделения этих компонентов. А учитывая весьма близкое с ними соседство и собственную возросшую температуру, заводского охлаждения северному мосту в таких случаях может уже и не хватить, что чревато весьма неприятными последствиями, вплоть до выхода чипа из строя. Результатом при таком развитии событий, вероятнее всего, будет замена материнской платы, поскольку ремонт оказывается экономически нецелесообразен.

Готовые варианты систем охлаждения

В случаях возможного перегрева поиски системы охлаждения материнской платы, как правило, начинаются с определения формфактора компьютера. Для разных размеров плат (mini-ATX, micro-ATX или ATX) существуют определенные решения, поэтому при заказе через Интернет (а чаще всего подобные устройства именно так сейчас и приобретаются) важно учитывать габариты компьютера и размеры установленных компонентов.

Сборка системы охлаждения северного моста своими руками

В торговых точках в настоящее время выбор подобных систем довольно скуден: в основном в продаже имеются блоки кулер-радиатор для охлаждения процессоров, поэтому владельцам нуждающихся в более эффективном теплоотводе компьютеров чаще всего приходится собирать собственные конструкции, проявляя чудеса изобретательности. В ход идут радиаторы от старых процессоров, к ним различными способами крепятся вентиляторы, перепаиваются разъемы питания, а затем получившийся гибрид устанавливается в недра компьютера. Причем нередко эффективность охлаждения оказывается очень высокой.

Если ситуация не позволяет по тем или иным причинам приобрести готовое решение, и остается надеяться только на собственные руки и смекалку, следует придерживаться нескольких важных рекомендаций.

• Тщательно измерить все расстояния, чтобы новая система не перекрывала видеокарту, оперативную память и процессор.
• Извлечь перед установкой видеокарту, оперативную память и при необходимости процессор. Заодно не помешает чистка систем охлаждения (и, возможно, замена термопасты) на процессоре и видеокарте.
• Без крайней необходимости не демонтировать "родной" радиатор охлаждения северного моста. Во-первых, это чревато потерей гарантии (разумеется, если она еще действует). Во-вторых, он может быть закреплен на чипе с помощью слоя специальной клейкой термопасты, уборка и замена которой в условиях ограниченного пространства - весьма долгий и непростой процесс. Если радиатор крепится специальными зажимами, для его демонтажа потребуется доступ к задней части материнской платы, что тоже не всегда осуществимо без разборки компьютера.
• В большинстве случаев достаточно добавления подходящего по размеру кулера, закрепить который можно с помощью супер клея (с осторожностью!) либо небольшими саморезами, ввинченными в промежутки между ламелями радиатора. Иногда конструкция радиатора позволяет использовать скотч, на который сверху наносится суперклей, а затем приклеивается вентилятор (например, радиаторы охлаждения северного моста Gigabyte).

• Если без комплексной замены решить задачу все же не представляется возможным, все действия производят при полностью свободной от подключенных устройств системной плате. В случае зажимного крепления проблем возникнуть не должно, а вот с клейким основанием придется повозиться. Понадобится растворитель (жидкость для снятия лака, бензин для зажигалок или водка), ватные палочки и старая пластиковая карта. Для установки можно использовать классическую КПТ-8 (зажимной монтаж) или термоклей (клеевой монтаж).
• Избегать попадания растворителя, термопасты и клея на другие узлы материнской платы.

Если все сделано правильно, температурные показатели на любом из тестов в разных режимах нагрузки будут находиться в пределах нормы, продлевая тем самым срок службы системной платы.

Введение

Вам не кажется, что термин "жидкостное охлаждение" наводит на мысль об автомобилях? На самом деле, жидкостное охлаждение является неотъемлемой частью обычного двигателя внутреннего сгорания почти 100 лет. Сразу же напрашивается вопрос: почему именно оно является предпочтительным методом охлаждения дорогих автомобильных двигателей? Чем же так замечательно жидкостное охлаждение?

Чтобы это выяснить, мы должны сравнить его с воздушным охлаждением. При сравнении эффективности этих методов охлаждения нужно учесть два наиболее важных свойства: теплопроводность и удельную теплоёмкость.

Теплопроводность - это физическая величина, показывающая, насколько хорошо вещество переносит тепло. Теплопроводность воды почти в 25 раз больше, чем воздуха. Очевидно, что это даёт водяному охлаждению огромное преимущество над воздушным, так как оно позволяет гораздо быстрее переносить тепло от горячего двигателя к радиатору.

Удельная теплоёмкость - ещё одна физическая величина, которая определяется как количество теплоты, необходимое для повышения температуры одного килограмма вещества на один кельвин (градус Цельсия). Удельная теплоёмкость воды почти в четыре раза больше, чем воздуха. Это означает, что для нагревания воды требуется в четыре раза больше энергии, чем для нагревания воздуха. И снова способность воды поглощать гораздо больше тепловой энергии без повышения собственной температуры является огромным преимуществом.

Итак, имеем неоспоримые факты того, что жидкостное охлаждение является более эффективным, чем воздушное. Однако совсем не обязательно, что это - лучший метод для охлаждения компонентов ПК. Давайте разберёмся.

Жидкостное охлаждение ПК

Несмотря на очень хорошие качества воды, касающиеся отвода тепла, есть несколько убедительных причин, чтобы не помещать воду в компьютер. Самая главная из этих причин - электропроводность охлаждающей жидкости.

Если бы вы случайно пролили стакан воды на бензиновый двигатель во время заправки радиатора, то ничего страшного бы не произошло; вода не повредила бы двигатель. А вот если бы вы вылили стакан воды на материнскую плату своего компьютера, то было бы очень плохо. Поэтому существует определённый риск, связанный с применением воды для охлаждения компонентов компьютера.

Следующий фактор - это сложность технического обслуживания. Системы воздушного охлаждения проще и дешевле производить и ремонтировать по сравнению с водяными аналогами, и радиаторы не требуют никакого технического обслуживания, разве что необходимо удалять из них пыль. С системами водяного охлаждения работать гораздо сложнее. Их труднее устанавливать, они часто требуют обслуживания, хотя и незначительного.

В-третьих, элементы системы водяного охлаждения для ПК стоят гораздо больше, чем детали системы охлаждения воздухом. Если комплект качественных радиаторов и вентиляторов воздушного охлаждения для процессора, видеокарты и материнской платы будет стоить, скорее всего, в пределах $150, то стоимость системы жидкостного охлаждения для тех же самых комплектующих легко может доходить до $500.

Имея столько недостатков, системы водяного охлаждения, казалось бы, не должны пользоваться спросом. Но на самом деле они настолько хорошо отводят тепло, что это их свойство оправдывает все недостатки.

На рынке можно найти полностью готовые к установке системы жидкостного охлаждения, которые уже не являются набором запасных частей, с которым энтузиастам приходилось иметь дело в прошлом. Готовые системы собраны, проверены и вполне надёжны. К тому же, водяное охлаждение не так опасно, как кажется: разумеется, всегда существует большой риск при использовании жидкостей в ПК, но если соблюдать осторожность, то этот риск существенно снижается. Что касается технического обслуживания, то современные хладагенты требуют замены довольно редко, может, раз в год. Что касается цены, то любое оборудование, которое работает с высокой производительностью, всегда стоит дороже обычного, будь то "Феррари" в вашем гараже или система водяного охлаждения для вашего компьютера. За высокую производительность приходится платить.

Предположим, что вас привлекает этот метод охлаждения или, по крайней мере, вам хотелось бы узнать, как он работает, что с ним связано, и каковы его преимущества.

Общие принципы водяного охлаждения

Цель любой системы охлаждения в ПК - отвести тепло от компонентов компьютера.

Традиционный воздушный кулер для ЦП отводит тепло от процессора на радиатор. Вентилятор активно прогоняет воздух через рёбра радиатора, и когда воздух проходит мимо, он забирает тепло. Воздух из корпуса компьютера выводится другим вентилятором или даже несколькими. Как видите, воздух совершает много перемещений.

В системах водяного охлаждения вместо воздуха для отвода тепла используется охлаждающая жидкость (теплоноситель) - вода. Вода выходит из резервуара по трубке, поступая туда, куда нужно. Блок водяного охлаждения может либо представлять собой отдельный блок вне корпуса ПК, либо может быть встроен в корпус. На диаграмме водоохладительный блок является внешним.

Тепло передаётся от процессора к головке охлаждения (водоблоку), которая представляет собой полый радиатор-теплосъёмник с входным и выходным отверстиями для охлаждающей жидкости. Когда вода проходит сквозь головку, она забирает с собой тепло. Теплоотдача за счёт воды происходит гораздо эффективнее, чем за счёт воздуха.

Затем нагретая жидкость закачивается в резервуар. Из резервуара она протекает в теплообменник, где отдаёт тепло радиатору, а тот - окружающему воздуху, обычно с помощью вентилятора. После этого вода попадает снова в головку, и цикл начинается сначала.

Сейчас, когда мы имеем хорошее представление об основах жидкостного охлаждения ПК, поговорим о том, какие системы доступны на рынке.

Выбор системы водяного охлаждения

Есть три основных типа систем водяного охлаждения: внутренние, внешние и встроенные. Главное различие между ними заключается в том, где по отношению к корпусу компьютера расположены их основные компоненты: радиатор/теплообменник, насос и резервуар.

Как следует из названия, встроенная охлаждающая система является составной частью корпуса ПК, то есть вмонтирована в корпус и продаётся в комплекте с ним. Так как вся система водяного охлаждения смонтирована в корпусе, этот вариант, возможно, является самым простым в обращении, потому что и внутри корпуса остаётся больше места, и снаружи нет громоздких конструкций. Недостатком, разумеется, является то, что если вы решите перейти на такую систему, то старый корпус ПК окажется бесполезным.

Если вам нравится корпус вашего ПК, и вы не хотите с ним расставаться, то внутренние и внешние системы водяного охлаждения, вероятно, покажутся более привлекательными. Компоненты внутренней системы помещаются внутрь корпуса ПК. Так как большинство корпусов не рассчитаны на размещение такой системы охлаждения, внутри становится довольно тесно. Однако установка подобных систем позволит сохранить ваш любимый корпус, а также переносить его без особых препятствий.

Третий вариант - внешняя система водяного охлаждения. Она тоже для тех, кто желает оставить старый корпус своего ПК. В таком случае радиатор, резервуар и водяной насос помещаются в отдельный блок вне корпуса компьютера. Вода по трубкам закачивается в корпус ПК, к головке охлаждения, а по обратной трубке нагретая жидкость выкачивается из корпуса в резервуар. Преимущество внешней системы заключается в том, что она может использоваться с любым корпусом. Она также позволяет использовать радиатор большего размера и может обладать лучшей охлаждающей способностью, чем средняя встроенная установка. Недостаток заключается в том, что компьютер с внешней системой охлаждения становится не таким мобильным, как с внутренними или встроенными системами охлаждения.

В нашем случае мобильность не имеет большого значения, однако нам хотелось бы оставить наш "родной" корпус ПК. Кроме того, нас привлекла повышенная эффективность охлаждения внешнего радиатора. Поэтому для обзора мы выбрали внешнюю систему охлаждения. Компания Koolance любезно предоставила нам отличный образец - систему EXOS-2.

Внешняя система водяного охлаждения Koolance EXOS-2.

EXOS-2 представляет собой мощную внешнюю систему водяного охлаждения с охлаждающей способностью свыше 700 Вт. Это не означает, что система потребляет 700 Вт - она потребляет лишь малую часть этого. Это значит, что система может эффективно справляться с тепловыделением в 700 Вт, поддерживая температуру на уровне 55 градусов Цельсия при 25 градусах окружающей среды.

EXOS-2 поставляется со всеми необходимыми трубками и приспособлениями, кроме головок охлаждения (водоблоков). Пользователю придётся купить подходящие головки, в зависимости от того, какие компоненты ПК он хочет охлаждать.

Охлаждение нескольких компонентов

Одним из преимуществ большинства систем жидкостного охлаждения является то, что они расширяемы и могут охлаждать не только процессор, но и другие компоненты. Даже после прохождения через головку охлаждения процессора, вода всё ещё способна охладить, например, чипсет материнской платы и видеокарту. Это основное, но по желанию можно добавить ещё больше компонентов, например жёсткий диск. Для этого каждому компоненту, который будет охлаждаться, потребуется свой собственный водоблок. Конечно, придётся заняться и планированием, чтобы убедиться, что охлаждающая жидкость протекает хорошо.

Почему выгодно объединить все три компонента - центральный процессор, чипсет и видеокарту - с хорошей системой водяного охлаждения?

Большинство пользователей понимают необходимость охлаждения процессора. ЦП сильно нагревается в корпусе ПК, а устойчивая работа компьютера зависит от поддержания низкой температуры процессора. Центральный процессор является одной из самых дорогих составляющих компьютера, и чем ниже поддерживаемая температура, тем дольше прослужит процессор. Наконец, охлаждение процессора особенно актуально при разгоне.

Водоблок центрального процессора и аксессуары для сборки.

Идея охлаждения чипсета материнской платы (вернее, северного моста), возможно, не всем знакома. Но учтите, что компьютер устойчив настолько, насколько стабилен его чипсет. Во многих случаях дополнительное охлаждение чипсета может поспособствовать стабильности системы, особенно при разгоне.

Водоблок чипсета и аксессуары для сборки.

Третий компонент очень важен для тех, кто обладает higher-end видеокартой и использует ПК для игр. Во многих случаях графический процессор видеокарты выделяет тепла больше остальных компонентов компьютера. Опять же, чем лучше охлаждение графического процессора, тем дольше он прослужит, тем выше устойчивость и больше возможностей для разгона.

Разумеется, для тех пользователей, кто не намерен использовать свой компьютер для игр и имеет маломощную графическую карту, водяное охлаждение окажется излишеством. Но для современных мощных и сильно нагревающихся видеокарт, водяное охлаждение может стать выгодным приобретением.

Мы собираемся установить охлаждающую систему на нашу видеокарту Radeon X1900 XTX. Хотя эта видеокарта не самая новая и мощная, она всё ещё хоть куда, и к тому же очень сильно нагревается. В случае с данной моделью компания Koolance предлагает не только водоблок для графического процессора/памяти, но и отдельную головку охлаждения для стабилизатора напряжения.

Водоблок для графического процессора и аксессуары для сборки.

Если системы воздушного охлаждения могут поддерживать температуру графического процессора в допустимых пределах, то нам не известны подобные системы, способные урегулировать чрезвычайно высокую температуру регуляторов напряжения на X1900, которая при нагрузках легко может достигать 100 градусов Цельсия. Интересно, как водоблок для регулятора напряжения повлияет на видеокарту X1900.

Водоблок для регулятора напряжения видеокарты и аксессуары для сборки.

Это основные компоненты, которые охлаждаются с помощью воды. Как говорилось выше, есть и другие компоненты, которые можно охлаждать таким образом. Например, компания Koolance предлагает блок питания мощностью 1200 Вт с жидкостным охлаждением. Все электронные компоненты блока питания погружены в жидкость, не проводящую ток, которая прокачивается через собственный внешний радиатор. Это - особый пример альтернативного жидкостного охлаждения, однако такая система отлично справляется с работой.

Koolance: 1200-Вт блок питания с жидкостным охлаждением.

Сейчас можно приступить к установке.

Планирование и установка

В отличие от систем воздушного охлаждения, установка системы жидкостного охлаждения требует некоторого планирования. Жидкостное охлаждение предполагает несколько ограничений, которые пользователь должен принять во внимание.

Во-первых, во время установки следует всегда помнить об удобстве. Трубки с водой должны свободно проходить внутрь корпуса и между компонентами. Кроме того, охлаждающая система должна оставлять свободное место, чтобы в дальнейшем работа с ней и комплектующими не вызывала трудностей.

Во-вторых, течение жидкости не должно быть ничем ограничено. Следует также помнить, что охлаждающая жидкость нагревается при прохождении через каждый водоблок. Если бы мы спроектировали систему таким образом, чтобы вода поступала в каждый последующий водоблок в такой последовательности: сначала к процессору, затем к чипсету, к видеокарте и, наконец, к регулятору напряжения видеокарты, то в водоблок регулятора напряжения всегда поступала бы вода, нагретая всеми предыдущими компонентами системы. Такой сценарий нельзя назвать идеальным для последнего компонента.

Чтобы как-то смягчить эту проблему, неплохо бы пустить охлаждающую жидкость по отдельным, параллельным путям. Если это сделать правильно, то поток воды будет менее нагружен, и в водоблоки каждого компонента будет поступать вода, не нагретая другими компонентами.

Набор Koolance EXOS-2, который мы выбрали для данной статьи, предназначен в основном для работы с соединительными трубками сечением 3/8", и водоблок для центрального процессора спроектирован с прессуемыми соединителями на 3/8". Однако головки охлаждения чипсета и видеокарты Koolance спроектированы для работы с соединительными трубками меньшего диаметра - 1/4". Из-за этого пользователь вынужден использовать сплиттер, разделяющий 3/8" трубку на две 1/4" трубки. Эта схема хорошо работает, когда мы разбиваем поток на два параллельных пути. По одной из этих 1/4" трубок будет охлаждаться чипсет материнской платы, а по другой - видеокарта. После того, как вода заберёт тепло от этих компонентов, две 1/4" трубки соединятся вновь в одну 3/8", по которой нагретая вода потечёт из корпуса ПК обратно в радиатор для охлаждения.

Весь процесс представлен на следующей схеме.

Спланированная конфигурация охлаждающей системы.

При планировании расположения собственной системы водяного охлаждения рекомендуем вам начертить простую схему. Это поможет правильно установить систему. Начертив план на бумаге, можно приступать к реальной сборке и установке.

Для начала можно разложить на столе все детали системы и прикинуть необходимую длину трубок. Не обрезайте слишком коротко, оставьте запас; потом вы всегда сможете отрезать лишнее.

После подготовительных работ можно приступать к установке водоблоков. Головка охлаждения Koolance для процессора, который мы используем, требует установки металлической скобы крепления на задней стороне материнской платы за процессором. И что хорошо, эта скоба крепления поставляется вместе с пластмассовой прокладкой, чтобы предотвратить замыкание с материнской платой. Сначала мы достали материнскую плату из корпуса и установили скобу крепления.

Затем можно снять радиатор, который прикреплён к северному мосту материнской платы. Мы воспользовались материнской платой Biostar 965PT, у которой чипсет охлаждается с помощью пассивного радиатора, прикреплённого пластмассовыми фиксаторами.

Чипсет материнской платы без радиатора. Готов к установке водоблока.

После того, как радиатор чипсета снят, следует прикрепить элементы крепления водоблока для чипсета.

Во время установки мы заметили, что элементы крепления водоблока для чипсета, в частности, пластмассовая прокладка, давит на резистор на задней части материнской платы. За этим нужно внимательно следить при установке. Чрезмерно сильное затягивание болтов может нанести непоправимый ущерб материнской плате, поэтому будьте внимательны и осторожны!

После установки элементов крепления головок охлаждения процессора и чипсета можно вернуть материнскую плату в корпус ПК и подумать о подсоединении водоблоков к процессору и чипсету. Не забудьте удалить с процессора и чипсета остатки старой термопасты перед тем, как нанести новый тонкий слой.

Процессор с элементами крепления для водоблока.

Возможно, вам захочется подсоединить трубки для воды к водоблокам до того, как вы установите их на материнскую плату. Но будьте при этом осторожны: можно не рассчитать давление и силу, которые при сгибании трубок приложатся к хрупким чипсету и процессору. Главное - оставить достаточную длину трубок, ведь подрезать их по размерам можно позже.

Сейчас можно осторожно установить водоблоки на процессор и чипсет с помощью предоставленных элементов крепления. Помните, что не нужно прижимать их с силой: достаточно просто хорошо их установить на процессор и чипсет. Применяя силу, можно повредить комплектующие.

После установки водоблоков на процессор и чипсет, можно переключить внимание на видеокарту. Удаляем имеющийся на ней радиатор и заменяем его водоблоком. В нашем случае мы также сняли радиатор стабилизатора напряжения и установили на карту второй водоблок. После того, как водоблоки установлены на видеокарту, можно подсоединить трубки. После этого видеокарту можно вставить в слот PCI Express.

После установки всех водоблоков следует подсоединить оставшиеся трубки. Последней нужно подключать трубку, которая ведёт к внешнему блоку водяного охлаждения. Убедитесь в правильности направления движения воды: охлаждённая жидкость должна поступать сначала в водоблок процессора.

Настал момент, когда можно заливать воду в резервуар. Наполняйте резервуар только до уровня, указанного в инструкции производителя. По мере заполнения резервуара, вода будет медленно поступать в трубки. Особенно внимательно следите за всеми креплениями и имейте под рукой полотенце на случай непредвиденной утечки жидкости. При малейших признаках протекания, немедленно устраните проблему.

Когда все компоненты собраны вместе, можно заливать охлаждающую жидкость.

Если вы всё сделали аккуратно, и в системе не возникло протечек, то вам нужно прокачать охлаждающую жидкость, чтобы удалить пузырьки воздуха. В случае с Koolance EXOS-2 это достигается путём замыкания контактов на блоке питания ATX, чтобы подать питание водяному насосу, но не подавать питание на материнскую плату.

Пусть система поработает в таком режиме, а вы в это время медленно и осторожно наклоняйте компьютер в одну и другую стороны, чтобы пузырьки воздуха вышли из водоблоков. Когда все пузырьки выйдут, вы, скорее всего, обнаружите, что в систему требуется добавить охлаждающей жидкости. Это нормально. Примерно через 10 минут после заливки в трубках не должно быть видно никаких пузырьков воздуха. Если вы убедились, что пузырьков воздуха больше нет и вероятность протечки исключена, то можно запускать систему по-настоящему.

Тестовая конфигурация и тесты

Все заботы по сборке и установке позади. Настало время посмотреть, какие преимущества даёт система водяного охлаждения.

Аппаратное обеспечение
Процессор	Intel Core 2 Duo e4300, 1,8 ГГц (разогнан до 2250 МГц), кэш 2 Мбайт L2
Платформа	Biostar T-Force 965PT (Socket 775), чипсет Intel 965, BIOS vP96CA103BS
Оперативная память	Patriot Signature Line, 1x 1024 Мбайт PC2-6400 (CL5-5-5-16)
Жёсткий диск	Western Digital WD1200JB, 120 Гбайт, 7 200 об/мин, кэш 8 Мбайт, UltraATA/100
Сеть	Встроенный адаптер Ethernet 1 Гбит/с
Видеокарта	ATI X1900 XTX (PCIe), 512 Мбайт GDDR3
Блок питания	Koolance 1200 Вт
Системное ПО и Драйверы
ОС	Microsoft Windows XP Professional 5.10.2600, Service Pack 2
Версия DirectX	9.0c (4.09.0000.0904)
Графический драйвер	ATI Catalyst 7.2

В нашей тестовой конфигурации мы использовали платформу Core 2 Duo, потому что процессор E4300 очень легко разогнать. Разгон позволил нам посмотреть, насколько высоко поднимется температура, и как с этим справятся стандартная система воздушного охлаждения и наша новая система водяного охлаждения.

Методика проста: максимально разогнать процессор E4300 со штатным воздушным охлаждением, а затем разогнать его с водяным охлаждением и сравнить результаты. Как оказалось, E4300 способен на большее. Мы увеличили частоту процессора с заявленных 1800 МГц до 2250 МГц. При этом процессор E4300 легко справлялся с добавленными 450 МГц без увеличения напряжения или каких-либо других проблем. Однако стандартный кулер не справился с работой, так как при нагрузке температура процессора поднялась до нежелательных 62 градусов Цельсия. Хотя ядро можно было бы разгонять и дальше, дальнейшее повышение температуры могло стать опасным, поэтому мы остановились, зафиксировали результат и установили систему водяного охлаждения.

Прежде чем рассмотреть температуру процессора при нагрузке, давайте взглянем на температуру при простое системы.

В режиме простоя водяное охлаждение даёт приличное снижение температуры процессора, примерно на 10 градусов. Однако это не такое уж большое достижение, если учесть, что собственный кулер процессора относится к классу low-end, а высококачественный воздушный кулер мог бы быть эффективнее. Тем не менее, стоит помнить, что водяное охлаждение не может снижать температуру так, чтобы она была ниже, чем температура окружающей среды, которая в нашем случае была около 22 градусов Цельсия.

При нагрузке системы - десятиминутный прогон стресс-теста Orthos - установка водяного охлаждения действительно показала, на что она способна.

Вот это уже на самом деле интересно. Штатный воздушный кулер не может даже поддерживать температуру процессора ниже нежелательно высоких для него 60 градусов, а система водяного охлаждения снизила температуру до 49 градусов при самой низкой скорости вентиляторов. Кроме снижения температуры, система водяного охлаждения работает гораздо тише, чем штатный кулер процессора.

При максимальной скорости вентиляторов в системе водяного охлаждения температура процессора опускается ниже 40 градусов! Это на 24 градуса ниже, чем со штатным кулером при нагрузке, и практически столько же, сколько собственный кулер выдаёт при простое. Результат производит впечатление, хотя при высокой скорости вентиляторов система водяного охлаждения производит больше шума, чем хотелось бы. Однако скорость вентиляторов регулируется по 10-бальной шкале, и вряд ли в повседневном использовании придётся устанавливать её на полную мощность. Orthos нагружает процессор сильнее, чем другие тесты, и нам было весьма интересно посмотреть, на что способна система водяного охлаждения.

В заключение обратите внимание на результаты, полученные для видеокарты. Обычно X1900 XTX нагревается очень сильно, но в нашем распоряжении был один из лучших воздушных кулеров - Thermalright HR-03. Посмотрим, какими преимуществами обладает водяное охлаждение по сравнению с этим кулером после 10 минут стресс-теста Atitool в режиме тестирования на артефакты.

Температура, поддерживаемая штатным кулером, ужасна: 89 градусов на графическом процессоре и свыше 100 градусов на стабилизаторе напряжения! Кулер Thermalright HR-03 потрясающе сработал, охладив графический процессор до 65 градусов, но температура стабилизаторов напряжения по-прежнему слишком высока - 97 градусов!

Система водяного охлаждения снизила температуру графического процессора до 59 градусов. Это на 30 градусов лучше, чем со штатным кулером, и всего на 6 градусов лучше, чем с HR-03, что ещё больше подчёркивает её эффективность.

Отдельный водоблок для стабилизатора напряжения демонстрирует отличный результат. HR-03 не имеет средств для охлаждения стабилизатора напряжения, а водоблок снизил температуру до 77 градусов, что на 25 градусов лучше, чем со штатным кулером. Это очень хороший результат.

Заключение

Результаты, полученные при тестировании с использованием системы водяного охлаждения, достаточно очевидны: жидкостное охлаждение намного эффективнее воздушного.

Водяное охлаждение доступно сейчас не только ограниченному кругу профессионалов, но и простым пользователям. К тому же, современные системы водяного охлаждения, такие, как EXOS-2, очень легко устанавливать, они работают по принципу "включай и работай", в отличие от старых систем, которые требовали сборки. Кроме того, современные наборы водяного охлаждения с подсвеченными и стилизованными корпусами выглядят очень симпатично.

Если вы энтузиаст и испробовали уже все системы воздушного охлаждения, то жидкостное охлаждение будет для вас следующим логическим шагом. Конечно, существует риск, и оборудование для водяного охлаждения будет стоить больше, чем для воздушного, но выгода очевидна.

Мнение редактора

Долгое время я избегал водяного охлаждения, так как опасался, что от него будет больше проблем, чем пользы. Но сейчас могу с уверенностью сказать, что моё мнение изменилось: системы водяного охлаждения гораздо легче устанавливать, чем я думал, а результаты охлаждения говорят сами за себя. Также хотелось бы выразить благодарность компании Koolance за предоставленный нам набор EXOS-2, работа с которым доставила удовольствие.

Давно уже канули в Лету те времена, когда компьютеру не требовались специализированные системы охлаждения.
По мере роста тактовых частот центрального и графического процессоров последние сначала стали обрастать пассивными радиаторами, а впоследствии потребовали установки вентиляторов.

Сегодня уже ни один ПК не обходится без специальных кулеров для охлаждения процессора, видеокарты и северного моста чипсета.
Нередко специализированные кулеры устанавливаются и на жесткие диски, а в самом корпусе для принудительной конвекции помещаются дополнительные вентиляторы.

Делать нечего - с законами физики не поспоришь, и рост тактовых частот и производительности ПК неизбежно сопровождается повышением энергопотребления и, как следствие, выделением тепла.
Это, в свою очередь, заставляет производителей создавать новые, более эффективные системы охлаждения.
К примеру, не так давно стали появляться системы охлаждения на основе тепловых трубок, которые сегодня широко используются для создания систем охлаждения ноутбуков.

Наряду с традиционными системами охлаждения на основе радиаторов с вентиляторами, все большее распространение получают жидкостные системы охлаждения, которые используются в качестве альтернативы воздушных систем.
Однако здесь необходимо сделать одно важное замечание: несмотря на все заверения производителей о необходимости использования жидкостных систем охлаждения для обеспечения нормального температурного режима, в действительности это условие вовсе не является обязательным при штатном режиме работы ПК.

Собственно, все современные процессоры рассчитаны именно на воздушное охлаждение, причем для этого вполне достаточно штатного кулера, поставляемого в боксовом варианте процессора.
Видеокарты вообще продаются вместе со штатной воздушной системой охлаждения, что исключает необходимость использования альтернативных средств охлаждения.

Более того, возьму на себя смелость утверждать, что современные воздушные системы охлаждения обладают определенным запасом и что поэтому многие производители даже снижают без ущерба производительности скорость вращения вентиляторов, создавая таким образом малошумящие комплекты для охлаждения процессоров и видеокарт.
Вспомним хотя бы наборы для создания бесшумных ПК компании ZALMAN - в этих устройствах используются вентиляторы с низкими оборотами, которых, тем не менее, вполне достаточно.

О том, что традиционные воздушные системы охлаждения вполне справляются с возложенной на них задачей, свидетельствует хотя бы тот факт, что ни один отечественный производитель ПК не устанавливает жидкостных систем охлаждения в свои серийные модели.
Во-первых, это дорого, а во-вторых, в этом нет особой необходимости.
А страшные рассказы о том, что по мере повышения температуры процессора падает его производительность, что обусловлено технологией Throttle, - это, по-большому счету, выдумки.

Зачем же тогда вообще нужны альтернативные жидкостные системы охлаждения?
Дело в том, что до сих пор речь шла о штатном режиме работы ПК.
Если же посмотреть на проблему охлаждения с позиции разгона, то выясняется, что штатные системы охлаждения могут и не справиться со своими задачами.
Вот тут-то на выручку и приходят более эффективные жидкостные системы охлаждения.

Другое применение жидкостных систем охлаждения - это организация теплоотвода в ограниченном пространстве корпуса.
Таким образом, подобные системы находят применение в том случае, когда корпус недостаточно велик, чтобы организовать в нем эффективное воздушное охлаждение.

При охлаждении системы жидкостью подобная жидкость циркулирует по гибким трубкам малого диаметра.
В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любые конфигурации и направления.
Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы, при такой же или гораздо большей эффективности.

Примерами таких компактных корпусов, где традиционное воздушное охлаждение может оказаться неэффективным, могут служить различные варианты barebone-систем или ноутбуков.

Устройство систем жидкостного охлаждения

Рассмотрим, что представляют собой жидкостные системы охлаждения.
Принципиальная разница между воздушным и жидкостным охлаждением заключается в том, что в последнем случае для переноса тепла вместо воздуха используется жидкость, обладающая большей, по сравнению с воздухом, теплоемкостью.
Для этого вместо воздуха через радиатор прокачивается жидкость - вода или другие подходящие для охлаждения жидкости.
Циркулирующая жидкость обеспечивает гораздо лучший теплоотвод, чем поток воздуха.

Второе различие заключается в том, что жидкостные системы охлаждения гораздо компактнее традиционных воздушных кулеров.
Именно поэтому первыми стали применять жидкостное охлаждение на серийных устройствах производители ноутбуков.

В плане конструкции системы принудительной циркуляции жидкости по замкнутому контуру системы жидкостного охлаждения можно разделить на два типа: внутренние и внешние.
При этом отметим, что никакого принципиального различия между внутренними и внешними системами не существует.
Разница заключается лишь в том, какие функциональные блоки находятся внутри корпуса, а какие - снаружи.

Принцип действия жидкостных систем охлаждения достаточно прост и напоминает систему охлаждения в автомобильных двигателях.

Холодная жидкость (как правило, дистиллированная вода) прокачивается через радиаторы охлаждаемых устройств, в которых она нагревается (отводит тепло).
После этого нагретая жидкость поступает в теплообменник, в котором обменивается теплом с окружающим пространством и охлаждается.
Для эффективного теплообмена с окружающим пространством в теплообменниках, как правило, используются вентиляторы.

Все компоненты конструкции соединяются между собой гибкими силиконовыми шлангами диаметром 5-10 мм.
Для того чтобы заставить жидкость циркулировать по замкнутому корпусу, используется специальный насос - помпа.
Структурная схема такой системы показана на рис. 1.

Рис. 1. Общая схема жидкостного охлаждения с помпой

Посредством систем жидкостного охлаждения тепло отводится от центральных процессоров и графических процессоров видеокарт.
При этом жидкостные радиаторы для графических и центральных процессоров имеют некоторые различия.
Для графических процессоров они меньше по размеру, однако принципиально ничем особенным друг от друга не отличаются.

Эффективность жидкостного радиатора определяется площадью контакта его поверхности с жидкостью, поэтому для увеличения площади контакта внутри жидкостного радиатора устанавливают ребра или столбчатые иголки.

Во внешних жидкостных системах охлаждения внутри корпуса компьютера размещается только жидкостный радиатор, а резервуар с охлаждающей жидкостью, помпа и теплообменник, помещенные в единый блок, выносятся за пределы корпуса ПК.

Драйвер AMD Radeon Software Adrenalin Edition 19.9.2 Optional

Новая версия драйвера AMD Radeon Software Adrenalin Edition 19.9.2 Optional повышает производительность в игре «Borderlands 3» и добавляет поддержку технологии коррекции изображения Radeon Image Sharpening.

Расчет жидкостной системы охлаждения предполагает определение расхода теплоносителей, поверхности охлаждения радиатора, выбор типа радиатора и его конструктивных параметров. Система охлаждения состоит из жидкостного и воздушного контуров, радиатора и вентилятора. Расчет жидкостной системы охлаждения проводится с целью определить:

• ? количество теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью в единицу времени, для данного двигателя;
• ? расход охлаждающей жидкости, обеспечивающей отвод от цилиндров и других деталей двигателя заданного количества теплоты в единицу времени;
• ? расход потока воздуха, обеспечивающего отвод и рассеивание в окружающей среде того же количества теплоты и в то же время;
• ? охлаждающую поверхность радиатора, обеспечивающую передачу теплоты от жидкости к потоку воздуха в совокупности с полученными расходами теплоносителей и заданными температурными параметрами жидкости, а также тип радиатора, его конструктивные параметры;
• ? тепловую характеристику радиатора, гидравлические характеристики жидкостного тракта и аэродинамическую характеристику воздушного тракта;
• ? способность системы охлаждения обеспечивать заданный температурный режим двигателя при переменных нагрузках и при предельных температурах окружающей среды.

Блок-схема алгоритма расчета жидкостной системы охлаждения приведена на рис. 4.1.

При расчете системы охлаждения предполагается, что ее температурный режим является установившимся и процесс тепло-

Рис. 4.1. Блок-схема алгоритма расчета радиатора обмена соответствует стационарному режиму теплопроводности. Это означает, что количество теплоты, отводимое от нагретых деталей двигателя в охлаждающую жидкость в единицу времени, равно количеству теплоты, передаваемому жидкостью поверхности охлаждения радиатора, а также количеству теплоты, поступающему потоку воздуха и рассеиваемому им в окружающую среду за то же время. Это условие запишем в виде

Таким образом, исходным параметром для расчета системы охлаждения является количество теплоты, поступающее в охлаждающую жидкость, Qj/. Эта теплота, как отмечалось ранее, может быть определена посредством экспериментальных исследований при определении теплового баланса двигателя, расчетным методом на основании обобщенных переменных по базовой точке или по эмпирическим формулам.

Количество теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость, определяется постоянными и переменными факторами. К постоянным факторам относятся конструктивные параметры двигателя (параметры цилиндра и поршня, степень сжатия, способ всасывания, угол опережения впрыска топлива или подачи искры у карбюраторных двигателей, способ охлаждения смазочного масла), к переменным - средняя температура циклов в двигателе, температура окружающей среды, скоростной и нагрузочный режимы работы двигателя и т.д.

Расчет системы охлаждения проводится с учетом двух режимов работы двигателя - режима номинальной мощности N e ном и режима максимального крутящего момента М кртах. Допустимая температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения при работе двигателя в указанных режимах приведена в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Допустимая температура охлаждающей жидкости, °С

Наиболее достоверное значение теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость, может быть получено в ходе экспериментальных исследований при снятии теплового баланса двигателя, по и это значение параметра имеет погрешность 3...5 %. Расчет по приведенным эмпирическим формулам, как показал анализ, может значительно исказить расчетное количество теплоты как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Ошибка в расчетах может составить ±12...25 %, и если при этом расчетное значение теплоты будет уменьшено, то проектируемая система охлаждения не обеспечит требуемый отвод теплоты от двигателя и заданный температурный режим, что приведет к перегреву. Если же расчетное значение количества теплоты завысить, рабочая температура будет ниже требуемой, а это грозит переохлаждением двигателя. Метод расчета количества теплоты, поступающей в охлаждающую жидкость, па основе обобщенных переменных по базовой точке дает вероятностное значение параметра исходя из статистических данных ряда двигателей. Этот метод также не позволяет получить достоверное значение параметра для конкретного двигателя. Преимущество его состоит в том, что, принимая расчетное количество теплоты по верхнему пределу доверительного интервала (см. рис. 3.14), этот параметр уже содержит запас тепловой эффективности, значение которого принимается в функции от номинальной мощности двигателя.

Запас тепловой эффективности - это способность системы охлаждения отводить количество теплоты больше расчетного в пределах, обеспечивающих заданный температурный режим двигателя в переменных условиях эксплуатации. В случае принятия расчетного количества теплоты менее действительного увеличение запаса тепловой эффективности компенсирует имеющуюся разность и система охлаждения обеспечит заданный температурный режим двигателя. С другой стороны, если система охлаждения будет способна отводить количество теплоты более требуемого, это позволит удержать температурный режим двигателя в заданных пределах при воздействии вероятностных возмущающих факторов. Следовательно, дополнительные затраты па материалы для радиаторов, увеличение затрат мощности на привод водяного насоса и вентилятора, увеличение трудоемкости изготовления радиаторов при проектировании системы охлаждения позволят обеспечить надежность и безотказность как двигателя, так и тракторного агрегата при воздействии возмущающих факторов па систему охлаждения. Таким образом, расчетное количество теплоты является целевой функцией оптимизации параметров системы охлаждения, которая не должна сводиться к минимуму, а должна быть направлена па определение оптимальной величины запаса тепловой эффективности системы охлаждения. Нижним пределом этого параметра является количество теплоты, поступающее в охлаждающую жидкость при сгорании топлива в цилиндрах двигателя.

Рассмотрим последовательность расчета.

1. Расчетное количество теплоты, поступающее в охлаждающую жидкость, при проектировании системы охлаждения определяется по формуле

где ?,q - коэффициент запаса тепловой эффективности, принимается равным 0,05...0,15.

2. Температурный режим системы охлаждения будет поддерживаться в требуемых пределах при достаточной циркуляции жидкости через радиатор. Средняя температура охлаждающей жидкости тем выше, чем меньше перепад температур на ее входе и выходе при постоянном значении температуры на выходе из двигателя. Расход охлаждающей жидкости, циркулирующей в жидкостном контуре,

где Сру - теплоемкость охлаждающей жидкости (кДжДкг К)): для воды - 4,178, для низкозамерзающей жидкости - 2,093; -

плотность охлаждающей жидкости (кг/м 3): для воды при температуре 90...95 °С - 961,085, для низкозамерзающей жидкости -

Перепад температуры охлаждающей жидкости Му = tyi - ty задастся при расчете, для систем охлаждения двигателей он находится в пределах Л?у расч = 5...8 °С. Поскольку

средняя температура жидкости будет меньше при увеличении перепада температуры. Увеличение перепада температуры на выходе из двигателя и входе в него не способствует обеспечению эффективной работы двигателя. Из уравнения (4.1) следует, что перепад температуры уменьшается при увеличении расхода охлаждающей жидкости. Для форсированных тракторных двигателей значение перепада температуры принимается равным Д^расч = 5 °С.

Производительность принимаемого насоса G BH принимается из условия G BH > Су расч. Условием достаточной производительности водяного насоса с учетом гидравлических сопротивлений жидкостного тракта является

где С,у - коэффициент гидравлических потерь, С,у = (0,10...0,15); Лв.н - коэффициент подачи насоса, учитывающий потери жидкости в насосе, Лв.н = (0,8...0,9).

Удельная производительность водяного насоса

Этот показатель имеет разное значение для тракторов и автомобилей, для тракторов он составляет 0,08...0,13 м 3 /(кВт ч).

Производительность водяного насоса по среднестатистическим данным удельной производительности

Емкость (объем) системы охлаждения определяется количеством жидкости, заполняющей внутренние полости рубашки охлаждения, радиатора, шланги и патрубки. Общая емкость системы охлаждения зависит от принятых скоростей движения жидкости в контуре, конструкции двигателя, применяемости двигателя на тракторе или автомобиле, условий эксплуатации. Принятое количество воды в системе охлаждения должно обеспечить работу двигателя в особо тяжелом режиме кратковременно, причем жидкость не должна закипеть. Общая емкость системы охлаждения рассчи294

тывается по удельному статистическому значению объема. Среднестатистическое значение удельного объема системы охлаждения

где V co - емкость (объем) системы охлаждения, м 3 . Среднестатистическое значение этого показателя

систем охлаждения составляет:

• ? для тракторов - (0,17...0,25) 1(Г 3 м 3 /кВт;
• ? грузовых автомобилей - (0,08...0,24) 1(Г 3 м 3 /кВт;
• ? легковых автомобилей - (0,13...0,32) 1(Г 3 м 3 /кВт;
• ? тяжелых гусеничных машин - (0,816...2,04) 1(Г 3 м 3 /кВт. Емкость системы охлаждения

Кратность циркуляции жидкости в жидкостном контуре рассчитывается по формуле

и принимается в пределах нс менее 4... 12.

3. Расход воздуха через воздушный тракт и радиатор должен обеспечить отвод расчетного количества теплоты от радиатора и рассеять его в окружающей среде. Трактор и автомобиль являются движущимися машинами, и набегающий поток воздуха также проходит через радиатор, увеличивая его общий массовый расход через воздушный тракт. Скорость встречного потока воздуха при движении автомобиля со скоростью 15 км/ч составляет 4,5...5,5 м/с. При существующих скоростях движения автомобиля встречный поток воздуха оказывает существенное влияние на отвод теплоты от радиатора. При проектировании систем охлаждения тракторов и автомобилей встречный поток воздуха не учитывается, так как скорости движения трактора в рабочих режимах при выполнении ряда сельскохозяйственных работ не превышают 15 км/ч, а автомобили должны работать и с малыми скоростями, и с большими нагрузками, при движении под гору, в условиях, когда встречный поток воздуха не оказывает влияния па работу системы охлаждения.

В системе охлаждения отвод теплоты от одного из теплоносителей требует строго определенного расхода другого теплоносителя. При разных видах теплоносителей это обусловливается их разной теплоемкостью, а при одном виде теплоносителя - разной начальной температурой. Для обеспечения заданного температурного режима системы охлаждения необходимо, чтобы Q v = Q w . Расход воздушного теплоносителя определяется способностью воспринять заданное количество теплоты. Разная температура воздуха на входе в радиатор требует разнос количество воздуха. При снижении температуры воздуха на входе в радиатор понадобится меньше воздуха для обеспечения заданной температуры системы охлаждения, что является следствием зависимости теплоемкости воздуха от температуры.

Расход воздуха через радиатор

Циркуляция воздуха через радиатор является весьма сложным процессом, зависящим от многих факторов. Конструкции радиатора, воздушного тракта создают значительное сопротивление прохождению воздуха. Установка в воздушном тракте узлов и агрегатов вызывает нагрев воздуха при прохождении через другие тепло- обменные аппараты (радиаторы - масляный, кондиционера, трансмиссии и охлаждения наддувочного воздуха), нарушает равномерность распределения потока воздуха перед фронтом радиатора вследствие установки жалюзи, шторки, воздухоочистителя, аккумуляторных батарей и других узлов. Отсутствие разделения между воздушным трактом и моторным отсеком вызывает перетекание горячего воздуха от дизеля в зону перед радиатором.

При расчете расхода воздуха систем охлаждения машин, у которых перед фронтом радиатора другие тсплоотдающие узлы отсутствуют, минимальная температура воздуха на входе в радиатор t m должна быть не менее 35 °С, что соответствует наибольшей тем-

пературе окружающего воздуха для нормального климата? окр, т.е. t m = t OKp . При существующих компоновках воздушного тракта сельскохозяйственных тракторов, когда перед радиатором охлаждения жидкости устанавливается масляный радиатор двигателя, радиатор охладителя наддувочного воздуха, кондиционера, тепловыделяющие узлы гидроусилителя рулевого управления, гидростатического отбора мощности, температура воздуха, поступающего непосредственно к радиатору охлаждения жидкости, на At Wi = 5...6° выше. Тогда начальная температура воздуха перед фронтом радиатора будет равна t m = (? окр + At Wi). Увеличение температуры воздуха перед фронтом радиатора уменьшает количество теплоты, уносимое воздушным потоком в единицу времени, и снижает эффективность радиатора по отводу теплоты от охлаждающей жидкости. При расчете системы охлаждения тропического исполнения начальная температура воздуха? окр принимается равной 45 °С.

Температура воздуха t m на выходе из радиатора охлаждения жидкости составляет:

• ? у тракторов 63,0...68,5 °С, температурный перепад по воздуху равен 26...30 °С;
• ? автомобилей 55...65 °С, температурный перепад по воздуху равен 20...30 °С.

Тогда перепад температур будет равным At w = t m ~ twu расчетное значение температурного перепада для тракторов принимается А^расч = 26...30 °С; для автомобилей - А% раС ч = 20...30 °С.

Количество воздуха, поступающего к радиатору, уменьшается вследствие снижения его скорости при прохождении через лобовую сетку маски капота, продвижения через иные теплообменные аппараты, обдува других узлов, установленных перед радиатором охлаждения жидкости. Начальная скорость воздуха, замеренная перед лобовой сеткой капота, и конечная скорость - перед фронтом радиатора зависят от имеющихся сопротивлений при его циркуляции. Расход воздуха через радиатор пропорционально зависит от его скорости. Общий суммарный коэффициент снижения расхода воздуха при расчетах C, w = 0,05...0,15. При отсутствии других узлов перед фронтом радиатора коэффициент снижения расхода воздуха принимается наименьшим для учета сопротивлений воздуху при прохождении через лобовую сетку капота.

Расчетное количество воздуха

где C, w - коэффициент снижения расхода воздуха при установке перед радиатором других, не относящихся к системе охлаждения узлов.

4. По результатам проведенных расчетов расхода теплоносителей определяется значение градиентов их температур. Градиент температуры охлаждающей жидкости

и воздуха

При расчете задается температура охлаждающей жидкости на выходе из радиатора в пределах tyi = 95...98 °С, а также температура воздуха на входе в радиатор, она равна температуре окружающей среды t w 1 = 35 °С для условий нормального климата и t m = 45 °С для условий тропического климата. Средние значения температур теплоносителей на выходе из радиатора:

Охлаждающей жидкости:

Воздуха:

5. Расчет радиатора заключается в определении поверхности охлаждения, необходимой для рассеивания потоком воздуха заданного количества теплоты при заданных условиях. Поверхность охлаждения радиатора вычисляется по известной формуле Ньютона - Фурье:

где kj - коэффициент теплопередачи поверхности охлаждения радиатора потоку воздуха.

Коэффициент k T зависит от типа охлаждающей жидкости, материала и конструктивных параметров трубок и пластин или лент, потока теплоносителей и т.д. Значение коэффициента теплопередачи зависит от физических параметров теплоносителей и теплотехнических и геометрических параметров теплопередающих элементов радиатора. Классическая формула для определения коэффициента теплопередачи радиатора без учета слоя накипи па внутренних стенках трубок имеет вид

где CLy - коэффициент теплоотдачи от охлаждающей жидкости к стенке трубок, а у = 2500...5000 Вт/(м 2 К); - коэффициент

теплоотдачи от стенки трубок воздуху, a w = 100 Вт/(м 2 К); 5 СТ - толщина стенки трубки, м; А, ст - коэффициент теплопроводности, для медных трубок А, ст = 330 Вт/(м 2 К); F w , F v - соответственно поверхностиохлаждения по воздуху и по охлаждающей жидкости.

Отношение называется коэффициентом оребрения |/, для трубчато-пластинчатых радиаторов

Коэффициент теплоотдачи от жидкости к стейке трубок труб- чато-пластипчатых и ребристых радиаторов можно также подсчитать по известной формуле Крауссольда:

где Ху - коэффициент теплопроводности жидкости; d V3KB - эквивалентный диаметр трубки по внутренней стороне; Re у - число Рейнольдса для потока жидкости в трубках радиатора; Рг^ - число Прандля для потока жидкости в трубках радиатора.

Рис. 4.2.

В конструкциях радиаторов охлаждения жидкости двигателей тракторов и автомобилей ряд элементов радиатора (трубки, параметры пластин и лент, кроме габаритных, пробки) являются унифицированными и применяются при создании новых радиаторов. При расчете радиаторов геометрические параметры трубок (рис. 4.2) задаются по известным применяющимся аналогам.

По геометрическим параметрам трубки эквивалентный диаметр определяется по формуле

где 5 хр - площадь трубки в поперечном сечении по внутренней стороне; Р хр - периметр поверхности трубки по внутренней стороне.

После подстановки в формулу (4.5) геометрических параметров стандартной плоскоовальной трубки получим следующее выражение:

Число Рейнольдса для потока охлаждающей жидкости в трубках подсчитывается по известной формуле

где Wy - скорость жидкости в трубках; Vy - кинематический коэффициент вязкости жидкости.

В радиаторах с плоскоовальпыми трубками скорость жидкости при ее температуре 89...95 °С составляет 0,18...0,3 м/с.

Критерий Прандля для условий теплообмена в радиаторе определяется по формуле

Коэффициент теплоотдачи от охлаждающих пластин и стенок трубок потоку воздуха трубчато-пластинчатых радиаторов можно подсчитать по формуле Н.Б. Марьямова , при выводе которой было принято допущение, что коэффициенты теплоотдачи от пластин воздуху и от трубок воздуху одинаковы:

где d wэкв - эквивалентный диаметр ячейки, образуемой трубками и охлаждающими пластинами (рис. 4.3).

Этот диаметр рассчитывается по формуле

где Sw - площадь ячейки по внутренней стороне; P w - периметр поверхности ячейки по внутренней стороне.

Рис. 4.3.

Площадь ячейки и периметр поверхности определяются исходя из геометрических параметров трубок, пластин и заданного шага пластин в сердцевине радиатора (рис. 4.3), которые в расчете радиатора принимаются по аналогии с существующими конструкциями или задаются иными.

При подстановке принятых геометрических параметров сердцевины радиатора в формулу (4.5) получим

где 5 ПЛ - шаг охлаждающих пластин; 8 ПЛ - толщина пластины; Sr - шаг трубок в сердцевине по фронту; D Tp - наружный диаметр (толщина) трубки.

Число Рейнольдса для потока воздуха в ячейках сердцевины радиатора

где Wyj - скорость протекания воздуха через решетку радиатора; Vw~ кинематический коэффициент вязкости воздуха.

Определив коэффициенты теплоотдачи от жидкости стенке трубки и от стенки трубки воздуху, запишем коэффициент теплопередачи от жидкости воздуху через стенку трубки. С учетом принятых конструктивных параметров радиатора при подстановке в формулу (4.4) он будет иметь вид

При существующих скоростях течения жидкости в трубчатопластинчатых радиаторах коэффициент теплоотдачи от жидкости стенке трубки осу « 2,32 кВтДм 2 К). Подставив значение осу в формулу (4.7), получим выражение коэффициента теплопередачи трубчато-пластинчатого радиатора в функции от коэффициента теплоотдачи от стенки трубки воздуху:

Поверхность охлаждения радиатора F OXJl определяется по формуле (4.3) при подстановке полученного значения k T по одной из приведенных формул и перепада средних температур теплоносителей At v _ w = (t v -t w). Для определения перепада температур теплоносителей радиатора предлагается формула, которая учитывает параметры конструкции радиатора:

где A t v _ w - разность средней температуры охлаждающей жидкости и потока воздуха на входе в радиатор; / с - глубина сердцевины радиатора; Ре^ - критерий Пекле, равный для воздуха через критерий Рейнольдса 0,71 Re^.

Приняв значение коэффициента оребрения для тракторных радиаторов равным |/ = 3...4, коэффициента теплопроводности воздуха X w = 2,71 10 2 Вт/(м К) и введя критерий Рейнольдса в формулу (4.9), после преобразований получим

Рассмотренный метод расчета системы охлаждения следует считать классическим, он используется в научных работах многими исследователями, разработчиками систем охлаждения тракторов и автомобилей.

Другой метод расчета поверхности охлаждения радиатора разработан В.Е. Тарасенко . Преимущество метода заключается в возможности проведения расчетов по определению требуемой поверхности охлаждения с различными типами сердцевины, не прибегая к использованию параметров радиаторов-аналогов.

Для определения количества теплоты, передаваемой поверхностью охлаждения радиатора потоку воздуха, использован такой параметр, как пористость трубного пучка сердцевины р. Для радиаторов коридорного типа (рис. 4.4) при относительном продольном шаге трубок, равном отношению шага к наружному диаметру

трубки b > 1, пористость трубного пучка предлагается рассчитывать по формуле

где b - относительный продольный шаг трубок, b = S^/D.

Учитывая, что D = 2R, при подстановке этого выражения в формулу (4.10) получим

При шахматном расположении трубок в сердцевине (см. рис. 1.63), когда относительный поперечный шаг с

где с - относительный поперечный шаг трубок по глубине сердцевины.

Рис. 4.4.

Поскольку с = S}

Предыдущая статья: Mitsubishi Lancer Evolution, обзор всех поколений Стоимость и комплектации Следующая статья: Ford Crown Victoria − презентабельный американский автомобиль Полицейская машина форд краун виктория